,~. ',~~ """" '!-, "....,. ~.~. -, >....,,...
-54 BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 1 Lading en spann1ng 1 Een pvc-buis kun je gebruiken om proefjes met statische elektriciteit te doen. a Hoe kun je een pvc-buis opladen? b Wat voor lading krijgt zo'n pvc-buis dan en welk proces is daarvoor verantwoordelijk? 2 Tussen de onderkant van een onweerswolk en de aarde kan een grote spanning aanwezig zijn. a Leg uit waarom de combinatie onweerswolk-aarde niet geschikt is als spanningsbron voor elektrische apparaten. Geef ten minste drie redenen. b Op veel huizen en gebouwen staat een metalen spriet met scherpe punt. Deze is via een dikke metalen draad met de aarde verbonden. Wat hebben deze sprieten met bliksem te maken? 3 Elektrische verschijnselen doen zich in de praktijk in veel situaties voor. Leg uit waardoor het komt: a dat je soms een lichte schok voelt als je een deurkruk aanraakt (vooral als je eerst over een nylon vloerbedekking hebt gelopen); b dat je soms geknetter hoort als je een kam door je haren haalt; c dat er verschillende keren explosies zijn geweest tijdens het tanken van een pas geland vliegtuig. 4 Aan sommige auto's is een strip bevestigd van een geleidend materiaal. Deze strip sleept tijdens het rijden over de grond. Dat voorkomt dat de auto onderweg wordt geladen. a b c Waardoor kan de auto tijdens het rijden worden geladen? Welk verschijnsel zouden de autobezitters met deze strip willen voorkomen? Op welke manier voorkomt de strip dat dit gebeurt? 5 In figuur 1 zie je een elektroscoop. Met dit apparaat kun je nagaan of een voorwerp geladen is. Als je een geladen voorwerp tegen de knop drukt, bewegen de twee blaadjes zilverpapier uit elkaar. a Leg uit hoe dat komt. b Kun je aan de uitslag van de elektroscoop zien of deze positief of negatief geladen is? Licht je antwoord toe. ~ figuur 1 een elektroscoop 6 Je verbindt de knop van een positief geladen elektroscoop A via een geleidende draad met een even sterk negatief geladen elektroscoop B. a Wat gebeurt er met de uitslag van beide elektroscopen? Leg je antwoord uit. b Beschrijf wat er precies gebeurd is na het verbinden van beide elektroscopen. Gebruik het woord 'elektronen' in je antwoord. Plus Elektriseermachines 7 De oorspronkelijke elektriseermachine van Van Marurn kon een spanning van 300 000 V opwekken. Dat lukte alleen op heel droge dagen. a Leg uit waarom dat niet lukte bij vochtig weer. b Waarom kun je slechts 'losse' vonken opwekken met deze machine en geen continue grote stroom? 8 Saskia wekt met een elektriseermachine een spanning op van 10 000 V. De elektriseermachine is positief geladen. Als ze in het donker met een vinger dicht bij de bol komt, voelt ze een schok en ziet ze een vonkje tussen haar vinger en de bol.
a b Leg uit hoe de elektronen zich tijdens die vonk hebben verplaatst. Hoewel de spanning 10 000 V bedraagt, is het gevaar kleiner dan wanneer je een draad aanraakt waar een netspanning van 230 V op staat. Leg uit waarom. 9 In figuur 2 zie je een schematische tekening van de Van de Graaff-generator. Om de assen 3 en 6 is een rubberen band gespannen die lading omhoog en omlaag kan transporteren. De kammen 2 en 7 kunnen die lading 'aftappen'. 1 en 8 zijn metalen bollen. As 6 wordt aangedreven en de wrijving daar zorgt ervoor dat de band positief wordt geladen. Leg aan de hand van de tekening die werking van de Van de Graaff-generator uit. lt. figuur 2 de Van de Graaff-generator 2 Elektrische stroom 10 Vul in: a 0,032 A =... ma b 620 ma=... A 11 In figuur 3 zie je een schakeling. Teken van deze schakeling het bijbehorende schakelschema. 12 Neem het schema van tabel1 over en vul het verder in. A figuur 3 Hoe ziet het schakelschema eruit? "Y tabel 1 grootheden en een heden grootheid u symbool van de grootheid bijhorende eenheid coulomb symbool van bijbehorende eenheid meetinstrument om de grootheid te meten stroommeter - -55
BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 13 De stroomsterkte hangt samen met het voorbij komen van lading. a Hoe Luidt de formule die het verband weergeeft tussen Lading, stroomsterkte en tijd? b Hoeveel elektronen heb je nodig om een Lading van 1 C te krijgen? 14 Een drukker staat achter een snijmachine. Om de machine te Laten werken, moet hij twee schakelaars tegelijk indrukken: de ene met zijn Linkerhand, de andere met zijn rechterhand (zie figuur 4). a Leg uit waarom de machine zo gemaakt is dat hij alleen op deze manier kan worden aangezet. b Teken het schakelschema van deze schakeling. Zoek de symbolen voor stopcontact, elektromotor en schakelaar op als je ze niet meer weet. 17 Op een Lampje staat '6 V- 0,25 /( Het Lampje is op 6 V aangesloten. Anouck wil met een stroommeter controleren of de stroomsterkte klopt met het opschrift. De stroommeter heeft drie bereiken: 3 A, 300 ma en 30 ma. Leg uit welk bereik ze het best kan kiezen en waarom de andere twee niet. 18 In de schakeling van figuur 5 is op twee plaatsen de stroomsterkte gemeten. De meetresultaten staan bij de schakeling vermeld. Hoe groot is de stroomsterkte bij A, B, C en D? toa~ 8.--!----f 8 D c 0,6 A _.._ figuur 5 Hoe groot is de st roomsterkte? 19 Charlotte heeft een schakeling gemaakt met vijf identieke Lampjes (zie figuur 6). a Welke Lampjes zullen het felst branden en waarom? b Door Lampje 1 loopt een stroom van 0,6 A. Bereken de totale stroomsterkte die de batterij Levert. c Hoe groot is de stroomsterkte door lampje 5? A fig uur 4 twee schakelaars tegelijk indrukken 15 De bel in Lottes flat rinkelt als je een knop indrukt bij de hoofdingang van het flatgebouw. De bel rinkelt ook als je bij de voordeur van haar flat aanbelt. Teken het schakelschema dat bij deze schakeling hoort. Teken de bel als een cirkel met een B erin. 16 De zogenoemde hotelschakeling vind je ook wel bij trappen in huizen. Als iemand naar boven gaat, kan hij beneden het licht bij de trap aandoen. Als hij eenmaal boven is, kan hij het licht weer uitdoen. Daarna kan iemand anders die onder aan de trap staat, het Licht weer aandoen. Teken het schakelschema van een hotelschakeling met twee Lampen. -56 Ä. figuur 6 een schakeling met vijf Lampjes 20 In de keuken van Robs flat staan drie elektrische apparaten aan: een strijkijzer, een elektrische oven en een koffiezetapparaat. Op het moment dat Rob het Licht in de keuken probeert aan te doen, valt opeens de elektriciteit uit. a Wat is waarschijnlijk de oorzaak van het uitvallen van de elektriciteit? 3
-57 b c De radio in Robs huiskamer staat nog wel aan. Hoe kan het dat daar de elektriciteit niet is uitgevallen? Rob ziet dat er in de meterkast een zekering doorgesmolten is. Hij vervangt de kapotte zekering door een nieuwe. Meteen slaat de nieuwe zekering ook door. Wat doet Rob verkeerd? 21 Een aardlekschakelaar reageert niet als er ergens in huis kortsluiting is. Leg uit waarom de aardlekschakelaar dan niet reageert. Plus Elektriciteitsdraden in de huisinstallatie 22 In een krantenartikel staat de volgende passage: 'In de netsnoeren van tienduizenden pc's kan een fout zitten die ertoe kan leiden dat de kast van het toestel onder stroom komt te staan. Het is mogelijk dat de zogenaamde aardedraad verkeerd is verbonden. Als het apparaat wordt verbonden met een niet-geaard stopcontact, kan dat tot ongelukken leiden: In figuur 7 staan schematisch een pc en een stopcontact weergegeven. a Teken op het werkblad in figuur 7 hoe de draden A en B van de computer zijn aangesloten op het stopcontact (let op: er zijn twee mogelijkheden). Teken ook hoe de randaardedraad vanuit C moet lopen naar het stopcontact. b c d In één van beide gevallen zal er een gevaarlijke situatie ontstaan. Leg uit in welke situatie dat is. Waarom is de situatie van vraag c gevaarlijk voor de mens? A figuur 7 een pc en een stopcontact.,... JA computer ] B zelf c computerkast van metaal Stel dat er in het snoer een fout is gemaakt. Doordat je de stekker op twee manieren in het stopcontact 23 Soms tref je in een pvc-buis in huis een schakeldraad kunt steken, kan er op twee manieren iets fout gaan. Teken op het werkblad de twee manieren waarop de draden fout kunnen zijn aangesloten. aan. Waarom is deze vaak niet nodig?
werkbladen Hoofdstuk 3 Elektriciteit stopcontact naar centrale fasedraad nuldraad aardedraad C A B computer zelf computerkast van metaal stopcontact naar centrale fasedraad nuldraad aardedraad C A B computer zelf computerkast van metaal stopcontact naar centrale fasedraad nuldraad aardedraad C A B computer zelf computerkast van metaal stopcontact naar centrale fasedraad nuldraad aardedraad C A B computer zelf computerkast van metaal figuur 7 een pc en een stopcontact
BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 3 Weerstand 24 Adri wil de weerstand van een lampje bepalen. a Maak op het werkblad de schakeling van figuur 8 af. b Teken het bijbehorende schakelschema. c Waarom kan Adri eigenlijk niet dé weerstand van een lampje bepalen? Gebruik het woord 'temperatuur' in je antwoord... figuur 8 de weerstand van een lampje bepalen 25 Een föhn, een gloeilamp en een straalkachel zijn aangesloten op het lichtnet. Door de föhn loopt een stroom van 4,40 A, door de gloeilamp een stroom van 260 ma en door de straalkachel een stroom van 7,80 A. a Welk apparaat heeft de grootste weerstand? b Bereken ter controle de weerstand van elk apparaat. Geef de antwoorden in het juiste aantal cijfers. 26 Op een gloeilampje staat: 3,5 V; 0,20 A. a Wat wil dat zeggen? b Bereken hoe groot de weerstand van het lampje is als het op de juiste spanning brandt. Denk aan het aantal cijfers in het antwoord. 27 Lars heeft een constantaandraad van 6,0 Q aangesloten op een voedingskastje. Hij meet een stroomsterkte van 0,25 A. a Bereken welke spanning Lars op het voedingskastje heeft ingesteld. Lars draait aan de regelknop van het voedingskastje tot de stroommeter 0,75 A aangeeft. b Beredeneer hoe groot de spanning nu is. Voer nog geen berekening uit. c Controleer je antwoord bij b met een berekening. -58 d e Teken het diagram dat het verband tussen de spanning over de draad en de stroomsterkte door de draad weergeeft. Zet er getallen bij. Leg uit we hier te maken hebben met een ohmse weerstand. 28 Anke heeft een gloeilampje laten branden op verschillende spanningen. Elke keer heeft ze de stroomsterkte gemeten. Haar meetresultaten staan in tabel 2. a Verwerk Ankes meetresultaten tot een (J,U)-diagram. b De weerstand van het lampje verandert als het lampje feller gaat branden. Hoe kun je dat aan de grafiek zien? c Leg aan de hand van het verloop van de grafiek uit of de weerstand bij feller branden toe- of afneemt. Gebruik het woord 'hellingsgetal' in je antwoord. d Bereken hoe groot de weerstand van het lampje is bij een spanning van 7,0 V. e Bepaal en bereken hoe groot de weerstand van het lampje is bij een spanning van 14 V. f Leg uit waarom je uitkomst bij d betrouwbaarder is dan je uitkomst bij e. Y tabel 2 de metingen van Anke.. ~1U.. lmjl - :lllr!.~l 2,0 0,18 4,0 0,26 6,0 0,32 8,0 0,37 10 0,41 12 0,44 29 Een straalkachel heeft een schakelaar met drie standen. Bij het aanzetten moet deze schakelaar in de laagste stand staan. Pas daarna mag je de schakelaar in de hoogste stand zetten. De stroomsterkte door de kachel wordt dan 14 A. Als de schakelaar bij het aanzetten in de hoogste stand staat, zal de groepszekering (van 16 A) zeker doorsmelten. Geef hiervoor een verklaring. 30 In het blad De Ingenieur stond het volgende nieuwsbericht: 'Of een nieuwe betonwand droog genoeg is om te pleisteren, is vaak alleen te zien aan de kleur van de muur. Een andere manier is het steekproefsgewijs controleren van de wand. TNO heeft echter
werkbladen Hoofdstuk 3 Elektriciteit + + V A figuur 8 de weerstand van een lampje bepalen neonlampje weerstand veer figuur 10 een spanningszoeker
-59 a een sticker ontwikkeld die een sms'je stuurt als de b Uit het bericht blijkt dat deze methode gebruikmaakt muur klaar is voor het stucwerk. De muursticker meet van twee elektroden die op 10 cm van elkaar zitten. de elektrische weerstand in het bouwmateriaal: Hoe kan men de weerstand bepalen? Van welke eigenschap van een betonwand maakt deze meetmethode gebruik? Plus Stroom door je lichaam 31 Het menselijk lichaam geleidt in zekere mate stroom. Bereken hoe groot de stroom is die maximaal door je lichaam kan gaan als je huid vochtig is en je blootstaat aan de netspanning van 230 V. dan wanneer ze de waarheid spreken. Dus een snelle verandering van de huidweerstand bij de beantwoording van een vraag wijst erop dat de verdachte liegt. De methode wordt vooral in de Verenigde Staten gebruikt en is nogal omstreden. 32 De huid heeft als eigenschap dat de weerstand afhangt a Leg uit of die verandering een daling of een stijging van de vochtigheid van de huid. Hiervan wordt gebruikgemaakt van de huidweerstand is. bij de zogenoemde leugendetector. Dit is b Waarom geleidt zweet beter dan zuiver water? een apparaat waarmee men kan controleren of een verdachte liegt bij een ondervraging. Psychologen gaan ervan uit dat mensen meer zweten als ze liegen c Hoe kan men voorkomen dat een leugendetector gevaarlijk kan zijn voor het menselijk lichaam?
BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 4 Weerstandjes in serie en parallel 33 Een kookplaat heeft drie verwarmingsdraden. De weerstand van de draden is achtereenvolgens 60 Q, 140 Q en 160 Q. a De drie draden worden in serie geschakeld. Bereken de vervangingsweerstand in ko. b De drie draden worden parallel geschakeld. Bereken de vervangingsweerstand in 0. 34 De lampjes van een fietsverlichting zijn parallel geschakeld. De dynamo geeft een spanning van 6,0 V. Het voorlicht heeft een weerstand van 20 Q. Het achterlicht heeft een weerstand van 120 Q. a Bereken de vervangingsweerstand van deze parallelschakeling. b Bereken de totale stroomsterkte. 35 Alle lampjes in de schakeling van figuur 9 zijn gelijk. a Bepaal voor elke schakeling met behulp van het diagram de weerstand van elk lampje en de totale weerstand. b In welke schakeling is de totale stroomsterkte het kleinst? c In welke schakeling branden de lampjes het felst? a b c In welke stand is de stroomsterkte het grootst? Licht je antwoord toe. Bereken hoe groot de vervangingsweerstand bij die stand is. Bereken hoe groot de stroomsterkte bij die stand is. 38 In figuur 10 is een fittingschroevendraaier getekend. Dit apparaat wordt in de volksmond spanningszoeker genoemd. Als de te onderzoeken draad onder spanning staat, zal het neonlampje gaan branden. Er loopt dan een kleine (ongevaarlijke) stroom door je lichaam. a Teken op het werkblad hoe de stroom door de spanningszoeker en je lichaam loopt. b Hoe zijn de spanningszoeker en je lichaam geschakeld: in serie of parallel? c De spanningszoeker heeft een weerstand van één miuoen ohm. De weerstand van je lichaam is minstens duizend ohm. Bereken hoe groot de stroomsterkte door je lichaam op z'n hoogst zal worden (in ma). neonlampje weerstand veer 4,5 V 4,5 V 4,5 V.t.. figuur 10 een spanningszoe ker A 8 c À figuur 9 drie schakelingen met Lampjes 36 Onderzoek met een paar rekenvoorbeelden of de volgende stelling waar kan zijn: Als je twee weerstandjes in serie schakelt dan is de vervangingsweerstand altijd kleiner dan wanneer je ze parallel schakelt. 37 Een straalkachel heeft drie verwarmingsdraden. Met een schakelaar kun je kiezen uit de standen 0 (uit), 1 (één draad), 2 (twee draden parallel) en 3 (drie draden parallel). Elke draad heeft een weerstand van 100 Q. -60 39 Jos koopt een kerstboomverlichting die uit in serie geschakelde lampjes bestaat. Op elk lampje staat vermeld: '10 V; 0,30 P.:. Als Jos het geheel aansluit op 230 volt, brandt elk lampje op de juiste spanning. a Bereken de weerstand van één lampje. b Hoeveellampjes zijn er? c Bereken de totale weerstand (in kq) van alle lampjes samen als ze normaal branden. d Na verloop van tijd gaat één van de lampjes kapot. Jos knipt het kapotte lampje los. Daarna verbindt hij de Losse draden weer met elkaar. Is de stroomsterkte door de overgebleven lampjes groter of kleiner dan 0,3 A? Licht je antwoord toe. 40 Een weerstand van 60 Q, één van 40 Q en een onbekende weerstand met weerstandswaarde X worden parallel geschakeld. De totale weerstand is 15 Q. Bereken de waarde van X.
werkbladen Hoofdstuk 3 Elektriciteit + + V A figuur 8 de weerstand van een lampje bepalen neonlampje weerstand veer figuur 10 een spanningszoeker
-61 41 Guusje heeft vier gelijke weerstandjes van 20 Q. Ze maakt daarmee de combinatie van figuur 11 en sluit deze aan op een spanning van 6,0 V. a Bereken de totale stroomsterkte. b Wat is de grootste en wat de kleinste totale weerstand die je met deze vier weerstandjes kunt maken? c Teken de combinatie van deze vier weerstandjes die een vervangingsweerstand van 8 Q heeft. 42 Twee identieke weerstandjes met weerstand X zijn eerst in serie en daarna parallel geschakeld. Hoe groot is de verhouding tussen de waarde van de vervangingsweerstand in het eerste geval en in het tweede geval? 200 4. figuur 11 de weerstandscombinatie van Guusje Plus Kleurcode van weerstandjes 43 Op een weerstandje is de volgende kleurenbalk te zien: rood-rood-zwart-goud. a Bereken hoe groot de weerstandswaarde is. b Bereken hoe groot deze weerstand maximaal mag zijn. 44 Ralph heeft voor een schakeling een weerstandje van 470 Q nodig met een maximale afwijking van 10%. Welke kleurcode heeft het weerstandje?
-62 BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 5 Vermogen 45 Bekijk de drie lampjes in figuur 12. a Bereken het vermogen van elk lampje als het op de juiste spanning brandt. b Welk lampje geeft het meeste licht (als het op de juiste spanning brandt)? c Hoe zou het komen dat bij elk type lampje de stroomsterkte (en het vermogen) anders is? 48 Een auto rijdt 's nachts over de snelweg. De autoverlichting bestaat uit: twee halogeenlampen (elk 12 V; 60 W) in de koplampen; twee gloeilampen (elk 12 V; 5.. 0 W) in de achterlichten; een gloeilampje (12 V; 5,0 W) in de nummerplaatverlichting. De auto is een uur en drie kwatier onderweg. Bereken hoeveel kwh elektrische energie de autoverlichting in die tijd verbruikt. 6 V/0,05 A 6 V/0,5 A 49 Winnie laat een lamp branden als ze op vakantie gaat. Verder gaat alles in huis uit. Als ze na precies vier weken weer thuiskomt, geeft de kwh-meter aan dat de lamp 26,88 kwh elektrische energie heeft opgenomen. Bereken het vermogen van de lamp. 46 a b c 47 3,5 V/0,2 A Á figuur12 drie lampjes met verschillend vermogen Mariekes kamer wordt verlicht door een bureaulamp en een spotje. De gloeilamp in de bureaulamp geeft meer licht dan de gloeilamp in het spotje. Welke lamp heeft waarschijnlijk het grootste vermogen? Door welke lamp loopt de grootste stroom? Welke lamp heeft de grootste weerstand? Op een groep van de huisinstallatie (230 V) worden de volgende apparaten aangesloten: een strijkijzer van 1200 W; een wasmachine van 2200 W; een tv van 125 W. De groep wordt beveiligd door een zekering van 16 A. Zal de zekering doorsmelten? 50 De voorloper van de mp3-speler was de walkman. De oude walkman van Annette heeft een vermogen van 0,3 W. Het apparaat kan acht uur spelen op twee batterijtjes. Daarna zijn de batterijtjes, die 1,20 per stuk kosten, leeg. a Bereken hoeveel kwh elektrische energie de mp3-speler in acht uur verbruikt. b Hoeveel kost dezelfde hoeveelheid elektrische energie als die 'via het stopcontact' wordt geleverd? Voor 1 kwh vraagt het elektriciteitsbedrijf 0,20. c Wat is je conclusie over de kosten van elektrische energie? 51 a b c In het woonhuis van een gemiddeld gezin staan eigen lijk altijd wel elektrische apparaten aan. Het vermogen van al deze apparaten samen noem je het totale aangesloten vermogen. In de grafiek van figuur 13 zie je hoe dit vermogen in de loop van de dag verandert. Op welk tijdstip wordt's winters het grootste vermogen afgenomen? Hoe groot is dat vermogen? Op welk tijdstip wordt's zomers het grootste vermogen afgenomen? Hoe groot is dat vermogen? Leg uit dat door het invoeren van de zomertijd minder elektrische energie wordt verbruikt.
-63 <::: Q) g' 0,7 E ~ _,~ï ~;--trtrt: :' : ' t 0,6 0,5 ~ ; ':-r ~;t~.-h~ ~i.. ++ti"~ 0,4 ~e:* +- -- ' 4 f-'--rl, -- 1-+... c- : h-\t("t r- : -H H ~i=.~ d H--l+,--~ S2 S3 Een elektrisch treinstel rijdt op een spanning van 1,5 kv. De stroom door de motoren is 300 A. 1 kwh kost 0,20. Bereken de energiekosten van een rit van een halfuur. Laat zien dat de volgende formule geldt: R = P / I 2 0,2 0,1 M=~- "'~t~~ 1-t-: - 1-- - 0 6 -, H- ~-1-+ '... - 4 -'-f,.. 12 18 24.ÄI figuur 13 het verloop van het totale aangesloten vermogen: a voor een gemiddelde winterdag b voor een gemiddelde zomerdag Plus Effectieve spanning en stroomsterkte S4 a b Een wisselspanning heeft overeenkomsten met een zuivere toon. Noem er twee. De wisselspanning thuis kun je je voorstellen als een sinusvormige grafiek. De amplitude is 230 V en de frequentie is 50 Hz. Teken deze grafiek op millimeterpapier en zet er getallen bij. SS De netspanning in Nederland is 230 V. a Hoe groot is de effectieve spanning voor een Lamp van 100 W die bij jou thuis brandt? b Hoe groot is de effectieve stroomsterkte door die Lamp?
BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 6 Soortelijke weerstand Tenzij anders vermeld, mag je in de onderstaande opgaven uitgaan van een temperatuur van 20 oe. 56 Van welke factoren hangt de weerstand van een metaten draad af? 57 In een tabel staat: pb = 0,30 Q mm 2 /m. rens Omschrijf met woorden wat daarmee wordt bedoeld. 58 Joyce wil de soortelijke weerstand van ijzer bepalen. Ze besluit eerst de weerstand van een stuk ijzerdraad te bepalen (figuur 14). a Joyce leest op de spanningsmeter een spanning af van 0,50 V en op de stroommeter een stroomsterkte van 0,14 A. Bereken de weerstand van het stuk ijzerdraad. b Het stuk ijzerdraad is 100 cm tang en heeft een diameter van 0,20 mm. Bereken de soortelijke weerstand van ijzer. c Wat vind je van de nauwkeurigheid waarmee Joyce heeft gemeten? Licht je antwoord toe. ti. figuur 14 de soortelijke weerstand bepalen 59 Koperen stroomdraden komen in versehitlende soorten voor. Bereken de weerstand van de volgende koperen stroomdraden: a 2 meter schakeldraad voor de huisinstallatie (A = 1,5 mm 2 ); b 30 meter nuldraad voor de huisinstallatie (A= 3,0 mm 2 ). c -64 Je had het antwoord bij b ook kunnen afleiden uit het antwoord bij a zonder de formule weer hetemaal in te vullen. Hoe? 60 Een constantaandraad van 4,0 m lengte heeft een weerstand van 2,0 Q. Bereken de diameter van die draad. 61 Een aluminiumdraad van 6,0 m lengte en een doorsnede van 2,0 mm 2 wordt aangestoten op een spanning van 0,45 V. Bereken de stroomsterkte door de draad als de draad nog niet opgewarmd is. 62 Op een klosje is koperdraad gewikkeld. Op het klosje staat dat de draad een diameter heeft van 0,25 mm. a Bereken de doorsnede van de draad. b Edwin wil weten hoeveel meter draad er nog op het klosje zit. Daartoe bepaalt hij, voordat de draad is opgewarmd, de weerstand van het stuk draad dat nog om het klosje gewikkeld is. Die weerstand blijkt 1,2 Q te zijn. Bereken de lengte van de draad. 63 Door de gloeidraad van een lamp die in de huiskamer gaat een stroom van 260 ma. De gloeidraad heeft een doorsnede van 0,000 50 mm 2 en is gemaakt van wolfraam. De soortelijke weerstand van wolfraam is bij de bedrijfstemperatuur van de gloeidraad 0,880 Q mm 2 j m. Bereken de lengte van deze gloeidraad. 64 Demian heeft gezien dat de achterruitverwarming bij een auto uit een combinatie van metaaldraden bestaat. Hij besluit zelf ook eens zo'n verwarming te maken. Hiervoor knipt hij een 7,5 m lange staaldraad in tien gelijke stukken. De totale weerstand van de draad was 1,5 Q. Hij verbindt de draden zoals in de schakeling van figuur 15 door middel van een dikke verbindingsdraad met een zeer lage weerstand. a Bereken de weerstand van deze achterruitverwarming. Tip: nummer de draden. b De draden zijn van boven naar beneden genummerd van 1 tjm 10. Na een poos worden sommige draden te heet en gaan roken. Leg uit welke draden te heet zijn geworden.
-65 -- :staaldraad temperatuur. - : toevoer-j verbindingsdraad 4 figuur 15 schema van een achterruitverwarming 65 Schets grafieken voor de volgende verbanden voor een metaaldraad. Zet de weerstand langs dey-as. a Schets het verband tussen zijn weerstand en zijn lengte. b Schets het verband tussen zijn weerstand en zijn doorsnede. c Schets het verband tussen zijn weerstand en zijn d e Eén van de verbanden is een zogenoemd omgekeerd evenredig verband. Welk verband is dit? Wat is een algemeen kenmerk van dit type verband? Plus Supergeleiding 66 Supergeleiding is een verschijnsel dat inmiddels d Waarom is juist supergeleiding bij dit soort apparaten nuttig wordt toegepast in onder andere medische zo nuttig? appa~ten. e Han beweert: "Dankzij supergeleiders kun je gratis a Wat is supergeleiding? een magneetveld opwekken." Leg uit dat Han ongelijk b Wat is de sprongtemperatuur? heeft. c Met MRI-scanners kun je in een lichaam kijken zonder dat je het hoeft open te snijden. Bij deze techniek is een sterk magneetveld nodig. Hoe kun je een regelbaar magneetveld opwekken?
-66 PRACTICUM Hoofdstuk 3 Elektriciteit Practicum Proef 1 Aantrekken en afstoten 40 min Inleiding Je kunt voorwerpen laden door ze met een doek te wrijven. Geladen voorwerpen oefenen krachten op elkaar uit. Doel Je gaat de krachten tussen geladen voorwerpen onderzoeken. Wrijf een van de perspex staven met de zijden doek. Leg de staaf meteen daarna op de draaitafel. Wrijf de andere perspex staaf met de zijden doek. Houd hem vervolgens vlakbij de eerste perspex staaf. Schrijf op wat je ziet. Nodig D twee pvc-buizen D twee perspex staven D wollen doek D zijden doek D draaitafel/houder (of statief met klem en touwtje) Uitvoeren en uitwerken Wrijf één van de pvc-buizen met de wollen doek. Leg de buis meteen daarna op de draaitafel. Wrijf de tweede pvc-buis met de wollen doek. Houd hem vervolgens vlakbij de eerste pvc-buis (figuur 16). Schrijf op wat je ziet. Wrijf één van de pvc-buizen met de wollen doek. Leg de buis meteen daarna op de draaitafel. Wrijf een perspex staaf met de zijden doek. Houd hem vervolgens vlak bij de pvc-buis. Schrijf op wat je ziet. ~ figuur 16 twee pvc-buizen vlak bij elkaar 1 Vul aan: a Twee geladen pvc-buizen... b Twee geladen perspex staven... c Een geladen pvc-buis en een geladen perspex staaf... 2 Op welke manier kun je onderzoeken of een willekeurig geladen voorwerp dezelfde lading heeft als een pvc-buis? Proef 2 Het (l,u) diagram van een constantaandraad 40 min Inleiding Een constantaandraad heeft een bepaalde weerstand. Je kunt deze eigenschap van de draad onderzoeken door een (J,U)-diagram op te meten. Doel Je gaat het (I,U)-diagram van een constantaandraad opmeten en onderzoekt zijn weerstand. Je oefent met basisvaardigheid 4 en 5 of 6: Werken met een spanningsmeter en stroommeter of met een multimeter. Je oefent ook met basisvaardigheid 3: Werken met een voeding, en vaardigheid 13: Werken met tabellen en grafieken. Nodig D D D D D voedingskastje vijf snoeren stroommeter of multimeter spanningsmeter of multimeter constantaandraad Uitvoeren en uitwerken Maak de schakeling van figuur 17. Stel de spanning in op 0 volt voordat je de voeding aanzet.
Maak de spanning steeds 0,5 V hoger en meet de bijbehorende stroomsterkte door de draad. Ga hiermee door tot de spanning 3 V is. Neem tabel 3 over en zet de meetgegevens in de eerste twee kolommen. fèf-------, 1 Verwerk je meetresultaten tot een (I,U)-diagram. 2 Wat kun je zeggen over het verband tussen de spanning over en de stroom door de draad? 3 Bereken hoe groot de weerstand van de draad bij elke meting was. Noteer de uitkomst in de derde kolom van je tabel. 4 Wat valt je op als je de berekende weerstandswaarden met elkaar vergelijkt? 5 Had je de conclusie van 4 ook al uit het diagram kunnen trekken? Lichtje antwoord toe. Ä figuur 17 de opstelling voor proef 2 "' tabel 3 0... -. --. spanning, stroomsterkte en weerstand bij een constantaandraad _..... ltt!l L'fl ~ 1~ Proef 3 Het (I,U) diagram van een gioeilampje 30 min. ' _, Inleiding Met de weerstand van de gloeidraad van een gloeilampje is iets merkwaardigs aan de hand. Doel Je gaat het (J,U)-diagram van een gloeilampje bepalen en onderzoekt zijn weerstand. Je oefent met vaardigheden 4 en 5 of 6: Werken met een spanningsmeter en stroommeter of met een multimeter. Je oefent ook met vaardigheid 3: Werken met een voeding, en vaardigheid 13: Werken met tabellen en grafieken. Uitvoeren en uitwerken Maak de schakeling van figuur 18. Stel de spanning in op 0 volt voordat je de voeding aanzet. Maak de spanning steeds 1 V hoger en meet de bijbehorende stroomsterkte door het gloeilampje. Ga hiermee door tot de spanning 6 V is. Neem tabel 4 over en zet de meetgegevens in de eerste twee kolommen. Nodig D voedingskastje D vijf snoeren D stroommeter of multimeter D spanningsmeter of multimeter D lampje D fitting Ä figuur18 de opstelling voor proef 3-67
PRACTICUM Hoofdstuk 3 Elektriciteit.. ~ a-.j l" tabel 4 spanning, stroomsterkte en weerstand bij een gloeidraad 0... - llltl) -,rtvft - -.!.11 -- 'V - ""' ~ 1 Verwerk je meetresultaten tot een (I,U)-diagram. 5 Teken het (R,U)-diagram. 2 Is er een recht evenredig verband tussen spanning 6 Welke waarde heeft de weerstand van het lampje bij en stroomsterkte bij het gloeilampje? 0 V? 3 Bereken hoe groot de weerstand van het gloeilampje 7 Welke eigenschap van de gloeidraad verandert nog 4 bij elke meting was. Noteer de uitkomst in de derde kolom van je tabel. Wat valt je op als je de berekende weerstandswaarden met elkaar vergelijkt? meer als je de spanning opvoert? Wat is dus een voor de hand liggende verklaring voor de verandering van de weerstandswaarde van een gloeidraad? Proef 4 Weerstandjes in serie 30 min Inleiding Als je steeds meer weerstandjes in serie schakelt, dan gebeurt er iets met de totale weerstand van de schakeling. Maak de schakeling van figuur 19. Stel de spanning in die je docent heeft aangegeven. Meet de stroomsterkte door de schakeling. Noteer deze waarde. Doel Je gaat onderzoeken welke regel geldt voor weerstandjes in serie. Nodig D voed i ngskastje D drie weerstandjes D zes snoeren D stroommeter of multimeter D spanningsmeter of multimeter Uitvoeren en uitwerken -68 Bekijk de kleurcodes op de weerstandjes en noteer de weerstandswaarde van elk. Á figuur19 de schakeling van proef 4 1 Bereken met de waarde voor spanning en stroom de totale weerstand van de schakeling. Schrijf je berekening op. 2 Tel de waarden van de drie weerstandjes bij elkaar op. 3 Vergelijk je antwoorden op opgave 1 en opgave 2. Welke conclusie kun je trekken?
-69 Proef 5 Weerstandjes parallel 30 min Inleiding Als je steeds meer weerstandjes parallel schakelt, krijgt de schakeling als geheel een andere weerstand. Doel Je gaat onderzoeken welke regel geldt voor weerstandjes die parallel aan elkaar geschakeld zijn. Nodig 0 voed i ngskastje 0 drie weerstandjes 0 zes snoeren 0 stroommeter of multimeter 0 spanningsmeter of multimeter Uitvoeren en uitwerken Maak schakeling A van figuur 20. Stel de spanning in die je docent je heeft opgegeven. Meet de stroomsterkte. Noteer deze. Maak schakeling B en C van figuur 20. Stel weer dezelfde spanning in. Meet steeds de stroomsterkte en noteer deze. 1 Bepaal voor elke meting de totale weerstand. 2 Wanneer is de totale weerstand het kleinst? 3 Bereken de totale weerstand van schakeling B (met de formule op blz. 61 van je handboek). 4 Bereken ook de totale weerstand van schakeling C. 5 Kloppen de uitkomsten van je berekeningen met wat je hebt gemeten? -- - ---9f %- -, '-----t V t-----' '-----1 V!------' A 8 ~------\ V r---- --' c A figuur 20 de schakelingen van proef 5 Proef 6 Meten met de kwh-meter 30 min Inleiding Hoeveel elektrische energie je thuis verbruikt, wordt gemeten in kwh en Lees je af op de kwhmeter. Doel Je gaat met een kwh-meter het vermogen van een apparaat bepalen. Nodig 0 kilowattuurmeter 0 verschillende elektrische apparaten 0 stopwatch Uitvoeren en uitwerken Straks ga je een apparaat op de kwh-meter aansluiten. De schijf van de kwh-meter zal dan gaan draaien. Om 1 kwh elektrische energie te meten, moet de schijf een bepaald aantal omwentelingen maken. Hoe groot dat aantal omwentelingen is, staat op de meter aangegeven (achter de Letter c). Noteer dit getal. Kies een elektrisch apparaat uit. Bekijk het type plaatje. Sluit het apparaat aan op de kwh-meter (zie figuur 21). Zet het apparaat aan. Meet hoeveel tijd nodig is om de schijf van de kwhmeter tien keer te Laten ronddraaien. Noteer deze waarde.
-70 PRACTICUM Hoofdstuk 3 Elektriciteit Maak van deze proef een verslag waarin je het vermogen van het apparaat bepaalt en het resultaat vergelijkt met de informatie op het typeplaatje. À figuur21 de schakeling voor proef 6 Proef 7 De soortelijke weerstand bepalen Inleiding Behalve van de Lengte en doorsnede van een draad hangt de weerstand van de draad ook nog af van het materiaal waarvan de draad is gemaakt. Doel Je gaat de soortelijke weerstand bepalen van het materiaal waarvan een potloodstift is gemaakt. Nodig 0 losse potloodstift D schuifmaat 0 spanningsmeter of multimeter 0 stroommeter of multimeter 0 voeding 0 snoertjes 40 min Uitvoeren en uitwerken Zoek in je handboek de formule op waarin de soortelijke weerstand p van een draad voorkomt en schrijf deze formule op. Schrijf voor de grootheden R, A en I op hoe je ze wilt bepalen voor een potloodstift. Dit heet een meetplan. Laat je meetplan door de docent of TOA beoordelen. Voer de metingen uit. Maak van deze proef een verslag. Ga ook na van welke stof de potloodstift gemaakt kan zijn. Onderzoek 1 De weerstand van apparaten bepalen 90 min In elektrische huishoudelijke apparaten zitten allerlei componenten die een weerstand hebben. Beantwoord de volgende onderzoeksvraag: Hoe groot is de weerstand van elektnsche apparaten thuis? Bepaal deze weerstand voor minstens drie apparaten. Vergelijk deze met de berekende waarde. Onderzoek 2 De weerstand van potloden bepalen 90 min Een potloodstift kan elektriciteit geleiden. Potloden zijn er in verschillende hardheden: van 7B tot 7H. Heeft de hardheid van een potloodstift invloed op de weerstand van het materiaal?
-71 Onderzoek 3 Een stroommeter bouwen 90 min Toch valt het niet mee een goede stroommeter te bou- wen. Ontwerp en bouw een goed werkende en geijkte stroommeter. In een stroommeter zitten een spoel en een permanente magneet. Als er door de spoel een stroom Loopt, slaat de wijzer uit omdat spoel en magneet krachten op elkaar uitoefenen. Onderzoek 4 De lengte van een gloeidraad bepalen 90 min De gloeidraad in een Lamp is vaak Langer dan je denkt. Dat komt omdat hij dubbel is gespiraliseerd. Hoe Lang zou zo'n draad eigenlijk zijn? Zoek dat uit voor een gloeilamp van 60 W. Onderzoek 5 Een sensor van QTC maken 60 min Bij toeval ontdekte een Engelse knutselaar een rubberachtig spul, QTC genaamd, waarvan de weerstand bleek te veranderen als je erin kneep. Als er een verband is tussen de druk op het spul en de weerstand, moet er ook een druksensor mee te maken zijn. Bouw met behulp van een stukje QTC een goed geijkte druksensor.
-7Z TEST JEZElF Hoofdstuk 3 Elektriciteit Test Jezelf Je kunt een deel van de vragen ook maken met de computer. 6 Bekijk de schakeling in figuur 23. De stroommeter heeft drie bereiken: 0,3 A, 1 A en 3 A. Leg uit op welk bereik de meter het best kan staan bij de situatie in de figuur. 1 Kursat heeft een perspex staaf met een zijden doek gewreven. De staaf is daardoor positief geladen. Wat kun je zeggen over de lading van de doek na het wrijven? 2 Kursat heeft een perspex staaf met een zijden doek gewreven. De staaf is daardoor positief geladen. De staaf wordt in een draaibare houder geplaatst. Daarna houdt hij er een andere gewreven perspex staaf bij. Wat doen de twee staven met elkaar: aantrekken of afstoten? 3 Als Tom de deur wil openen, springt er een vonkje over tussen zijn vinger en de deurknop. Er springen dan... over tussen zijn vinger en de deurknop. 4 Als Ineke wordt opgeladen, gaan haar haren overeind staan. Welke van de onderstaande uitspraken is waar? A De haren trekken elkaar aan omdat ze allemaal verschillende lading hebben. B De haren stoten elkaar af omdat ze allemaal een verschillende lading hebben. C De haren trekken elkaar aan omdat ze allemaal dezelfde lading hebben. D De haren stoten elkaar af omdat ze allemaal dezelfde lading hebben. 5 Meter A 1 in figuur 22 geeft 450 ma aan en meter A 2 350 ma. Hoe groot is de uitslag van de meters A, 3 A 4 en A 5?.&. figuur 23 de schakeling van vraag 6 7 Vul in: 0,350 A=... ma 25 ma=... A 0,40A 0,20 A 0,35 A 8 Op een elektrische bel staat: (4,5 V; 0,5 A). Bereken de weerstand van deze bel. 9 Op een elektrische bel staat: (4,5 V; 0,5 A). Bereken het vermogen van deze bel. 10 Een weerstandje van 36 Q wordt aangesloten op een spanning van 4,5 V. Hoe groot is de stroomsterkte in het juiste aantal significante cijfers? 11 Door een weerstandje van 600 Q gaat een stroom van 20 ma. Op welke spanning is de weerstand aangesloten? 12 Bekijk de schakeling in figuur 24. Bereken de vervangingsweerstand van deze schakeling. 60 n zon zon.&. figuur 22 de schakeling van vraag 5 A figuur 24 de schakeling van vraag 12
13 Op een spanningsbron van 12 V zijn twintig dezelfde lampjes in serie aangesloten. In de kring loopt een stroom van 120 ma. Bereken de weerstand van één lampje. 14 Op een spanningsbron van 12 V zijn twintig dezelfde lampjes parallel aangesloten. In de kring loopt een stroom van 10 A. Bereken de weerstand van één lampje. 15 Sander heeft vier weerstandjes van 20 Q. Hij schakelt ze zodanig dat hij een vervangingsweerstand krijgt van 20 Q. Welke van de vier schakelingen in figuur 25 kan Sander hebben gemaakt? 16 Hoe groot is de vervangingsweerstand van schakeling 4 vansander (figuur 25)? 17 In een reclamefolder van een ventilatorkachel staat: 'twee warmtestanden: 1000 en 2000 watt'. In welke stand is de weerstand het grootst? 18 In een voetbalstadion branden 240 lampen van 1000 W op een spanning van 380 V. Bereken hoeveel kwh elektrische energie de lampen verbruiken gedurende een voetbalavond van 3 uur. 19 In een tabel staat: p k = 0,017 Q mm 2 /m. op er Je mag ook schrijven: 1 p = 17 10-9 Q m. ko per 2 p =17 10-6 Q mm. koper A Zowel 1 als 2 is goed. B Zowel 1 als 2 is fout. C 1 is goed en 2 is fout. D 2 is goed en 1 is fout. 20 Gegeven is: p k = 0,017 Q. mm 2 / m. oper Bereken de weerstand van een koperdraad met een lengte van 50 men een doorsnede van 0,1 mm 2 21 Nathalie heeft op haar slaapkamer tegelijkertijd een bureaulamp (75 W), een schemerlamp (40 W) en een cd-speler (22 W) via een verlengsnoer op één stopcontact (230 V) aangesloten. a Bereken hoeveel elektrische energie er op een avond (van 19:00 uur tot 21 :00 uur) wordt verbruikt. b Bereken de stroomsterkte door het verlengsnoer. 22 Om licht te hebben in zijn tuinhuisje sluit Wim een autolampje van 12 V - 60 W aan op zijn autoaccu van 12 V. Als snoer gebruikt hij een dubbel koperen snoer met een lengte van 40 m en een doorsnede van 0,5 mm 2 per snoer. De soortelijke weerstand van koper bedraagt 0,017 Q mm 2 j m. a Hoe groot is de weerstand van de lamp. b Op welke spanning brandt het lampje? c Hoe kan hij de spanning over het lampje verhogen? (meer antwoorden mogelijk) A door een dikkere draad te nemen B door een ijzeren draad te nemen (p.. = 0,105 Q mm 2 /m) ljzer C door de draad korter te maken D door een lampje met een kleiner vermogen te nemen 1 3 2 4 À figuur 25 de vier schakelingen van vraag 15-73
-74 TEST JEZELF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 23 Sylvie heeft op het practicum een kwh-meter die een schijf bevat die 1200 omwentelingen maakt per kwh. Ze wil het vermogen van een koffiezetapparaat bepalen: ze zet het apparaat aan en telt precies 57 omwentelingen van de schijf in drie minuten. Hoe groot is het vermogen van het koffiezetapparaat? 24 Medard wil een lamp van 6,0 V; 15 Waansluiten op een spanningsbron van 24 V. De lamp moet normaal branden en daarom sluit hij de lamp met een extra weerstand in serie aan op deze spanningsbron. a Leg uit waarom het geen zin heeft, en zelfs ongewenst is, die extra weerstand parallel op de lamp aan te sluiten. b Teken het schakelschema en zet alle bekende gegevens er bij. c Bereken de grootte van de extra weerstand. 25 Bekijk het diagram van figuur 26 waarin staat aangegeven hoe in een aantallanden de elektrische energie wordt opgewekt. a Welk land produceert het grootste gedeelte van zijn elektrische energie door verbranding van fossiele brandstoffen en hoeveel procent van het totaal is dat? b Waarom kun je niet zomaar concluderen dat dit land dan ook de grootste hoeveelheid fossiele brand- c "" =~ 1l -.::: <::"'-'..9 "'..., "' ~. ~.~ "" "' <» "' ::;, <» $~ <: <::> ~~ "" D kolen, aardolie, aardgas 0 kernenergie = ~.S> =2 <» ~ "" "' "' a - duurzame energie (wind, water, zon) Ä figuur 26 Hoe wekt Europa zijn elektriciteit op? Breinkraker =2 <» "' """ "" <» s ~ "' "' 26 Een lamp van 230 V/25 W wordt in serie met een lampje van 6 V/0,5 A aangesloten op het lichtnet (zie figuur 27). Het lampje blijkt niet te branden, terwijl de lamp van 25 W wel brandt. a Beredeneer dat het lampje niet stuk kan zijn. stoffen verbrandt? Leg uit welke energiesoort waarschijnlijk het grootste b Leg aan de hand van een berekening uit waarom het lampje niet brandt. aandeel heeft in het grote percentage duurzame energie dat in Oostenrijk wordt gebruikt voor de productie van elektrische energie. 230 V/25 W 6V/ 0,5A Ä figuur 27 een serieschakeling van een lamp en een lampje
-75 EXTRA BASISSTOF Hoofdstuk 3 Elektriciteit 8 Langste elektriciteitskabel ter wereld 1 We gaan ervan uit dat de kabel is gemaakt van massief koper. Bereken uit de gegevens in het artikel het volume van de kabel in m 3 Voor koper geldt een dichtheid van 8,96 gjcm 3 Let op: het antwoord moet niet nauwkeuriger zijn dan de opgegeven dichtheid. 2 Bereken met behulp van de lengte van de kabel de diameter van de kabel in cm. 3 Bereken de weerstand van de kabel. De soortelijke weerstand van koper is 0,017 Q mm 2 jm. 4 Bereken de stroomsterkte die door de kabel gaat bij maxi male capaciteit. 5 Hoeveel warmteontwikkeling (in MJ) vindt er per seconde in de kabel plaats bij deze stroomsterkte? 6 Bereken het verlies in procenten van de capaciteit. 7 Het warmteverlies bij het transport door dit soort kabels kan variëren. a Leg uit dat er minder verlies optreedt als de spanning over de kabel wordt vergroot. b Leg uit wat er gebeurt met het verlies als de temperatuur van de kabel toeneemt.